大型球磨机筒体衬板结构优化及应用

在众多磨矿设备中，球磨机因其磨矿流程短、生产效率高、成本低等优势在各类大型矿山中广泛应用。随着磨矿工艺需求增加、研发设计能力提升及重型装备制造业的发展，球磨机大型化已成为一种趋势。

球磨机是由进料端盖、筒体部以及出料端盖等零件组成的回转体。在设备运行过程中，磨机衬板起到一定的保护作用，防止研磨介质和物料的冲击对筒体的破坏性磨损；同时使物料和介质在抛落及泻落时产生研磨效果，达到粉磨矿石的目的。磨机衬板设计是决定磨机稳定运行的关键因素，其结构合理与否对磨机性能、衬板使用寿命及磨矿效果产生重要影响。随着磨机规格增大和自动化程度的提高，衬板磨损问题已变得越来越突出。衬板断裂、耐磨性差导致衬板更换频繁，使磨矿成本提高、设备运转率降低，最终对磨矿效率产生重大影响。

笔者结合国内某大型铜矿 φ11.0 m×5.4 m 球磨机筒体衬板的实际应用状况，对衬板结构进行改进和优化，以提高磨矿效率，降低综合运营成本。

1 磨机运行工况

φ11.0 m×5.4 m 球磨机是中信重工独立研发的双驱变频磨机，其主要技术参数如表 1 所列。

表1 球磨机主要技术参数

碎磨工艺采用目前国内外使用较为广泛的 SABC流程，即一段破碎+半自磨机+球磨机+顽石破碎机。该球磨机为开路系统，经振动筛分级后，筛上顽石不再返回球磨机，而是直接进入堆浸工艺，筛下矿浆经旋流器分级与球磨机构成闭路系统。具体工艺流程如图 1 所示。

图1 SABC 破磨工艺流程

矿石性质试验对设备选型及最终磨矿工艺流程的确定有直接影响。目前矿石性质试验主要有澳大利亚JK Tech 公司的 DWT 试验、Bond 系列功指数试验、高压辊磨试验及立式搅拌磨试验等。澳大利亚 JK Tech 公司 DWT 试验是对矿石的抗冲击破碎性能进行评估，表征参数为 A×b：A×b 数值越小，矿石越难破碎；反之，矿石易破碎。Bond 理论中 BWi 为球磨功指数，反映了矿石研磨性能的难易程度：BWi 数值越大，矿石越难研磨；反之，矿石易研磨。

通过对该矿矿石属性分析可知，矿石主要为花岗岩型硫化铜矿石。对同规格球磨机、不同类型矿石属性进行对比，结果如表 2 所列。

表2 矿石性质

由表 2 可以看出，与其他 2 种不同种类矿石相比，该硫化铜矿石的破碎、研磨难易程度属于中等水平。

2 原衬板结构

原筒体衬板的结构及排列方式如图 2、3 所示，筒体衬板共 48 排，螺栓孔均位于筒体提升条上，按照高-高形式布置。筒体衬板提升条为对称型，衬板总高 290 mm，提升条面角为 56°，底板厚度 80 mm，底板两侧设置辅助提升条。

图2 原筒体衬板结构

图3 筒体衬板排列方式

该球磨机于 2016 年 10 月投入试运行，在试运行约 2 个月后，筒体衬板出现不同程度的开裂现象，整体磨损量较小。开裂部位位于提升条及底板处，以底板开裂为主，开裂形式大多为纵向贯穿开裂，严重区域已掉块，如图 4 所示。分析损坏的原因主要是磨矿工艺流程处于前期摸索阶段，整个采矿、粉磨系统给矿量不稳定，难以满足设计日产量要求；同时磨球的加入时机、频次及加入量也不固定；加之因其他设备检修的影响，磨机整体运行呈现非连续状态。在此工况条件下，磨机内综合填充率低、物料层薄，运行瞬间磨球量大，使得衬板遭受巨大冲击，断裂风险加剧。

图4 筒体衬板开裂

随着碎磨工艺日渐稳定，原结构筒体衬板又陆续使用 2 套。相较于试运行期间，这 2 套筒体衬板的断裂数量有所降低，但依然存在排料端筒体衬板开裂现象。在整个运行周期中，原结构筒体衬板的磨矿效果不理想，每套衬板平均磨矿量为 230 万 t，衬板整体耐磨性有待提高。

3 衬板结构改进及使用效果

3.1 结构改进

首先对原筒体衬板结构进行模拟计算，结合磨机的规格和转速、钢球直径、磨机综合填充率及衬板结构等参数，采用 MillTraj 专业模拟软件对球磨机磨球运动轨迹进行模拟，结果如图 5 所示。

图5 原衬板结构磨球抛落轨迹

由图 5 可以看出，筒体内物料分布于第 4 象限30°～38°位置，而钢球的抛落点却位于第 4 象限靠近40°位置。显然，在磨机运转过程中，磨球抛落至物料趾部外，对物料的破磨作用减弱，反而直接砸向衬板，对衬板造成了巨大的、频繁的冲击，从而降低了磨矿效率，造成衬板过早损坏。因此，必须对筒体衬板进行结构改进，以调整磨球、物料的抛落轨迹，改善钢球直接对衬板的冲击力。

在球磨机规格、磨机转速及磨球规格一定的条件下，影响磨机物料及钢球运动轨迹和磨矿效率的因素包括：筒体衬板间隙、提升条高度及提升面角。因此，对半自磨筒体衬板进行改进，采取的主要措施如下：

(1)增加衬板间隙，提高磨机性能 衬板间隙是由衬板排列数量决定的，影响物料的提升率。合理的提升条间隙可最大限度地增加物料提升率，避免夹料现象，提高磨机性能。部分提升条数量减少可以增加提升条间料仓体积，同时也可提高磨机每转动一圈所提升的料浆，提升率增加将大幅提高磨矿效率。筒体衬板原排数为 48 排，现将衬板排数由 48排减少至 32 排，同时将筒体部二段分布改为三段分布。

(2)增加提升条的高度 衬板提升条的作用主要是提升物料及磨球，改变其运动轨迹和运动状态。提升条高度增加，物料及磨球被提升的高度也随之增加，从而增强了其抛落时的破磨能力，利于磨矿效率的提升。筒体衬板原高度 290 mm，在保持底板厚度80 mm 不变的情况下，将高度提升至 380 mm，总高增加 90 mm。

(3)改变筒体衬板面角 筒体衬板面角是指衬板提升条截面夹角，筒体衬板面角也是决定物料及磨球运行轨迹的关键因素之一。筒体衬板的面角越大，磨球被衬板提升的高度就越低，落点就越靠近中心，衬板被撞击的概率就会降低；相反，筒体衬板的面角越小，磨球被衬板提升的高度就越高，落点就越远离中心，衬板被撞击的概率就增大。因此，考虑通过增大筒体衬板面角来降低磨球被提升的高度，以减少磨球对衬板的冲击力。原筒体衬板提升条面角为56°，现将筒体衬板面角增大至 60°。

3.2 使用效果

改进后通过模拟软件对磨机磨球运动轨迹进行模拟，结果如图 6 所示。由图 6 可以看出，磨球抛落位置位于第 4 象限的 38°左右，而物料的边缘位置在第 4 象限 38°左右，显然，磨球的抛落点即为物料趾部，此时不但不会撞击衬板，而且磨矿效率将达到最高。由此可以推断，衬板的第一次结构改进是比较合理的。

图6 衬板结构改进后磨球抛落轨

图7、8 分别为改进后筒体衬板结构及现场安装情况。筒体衬板结构改进后，首套衬板于 2017 年7 月 25 日安装运行，共连续使用 2 套，每套衬板平均处理矿量达到 326 万 t，比原结构衬板磨矿量提升41.74%，改进效果明显。但同时该筒体衬板也存在不足之处：一是个别衬板质量较重(达 2.43 t)，基本达到现场机械手的限制质量(2.5 t)，对现场安装造成一定的安全隐患，且增加了衬板安装更换时间；二是筒体衬板整体质量较原结构衬板增加 37.86 t，增重22.6%，磨机负载加重，实际运行功率增加，磨矿能耗增加，大幅度提高了运行成本。

图7 改进后筒体衬板结构

图8 改进后筒体衬板安装

4 衬板结构优化及使用效果

4.1 结构优化

图9、10 分别为改进后失效筒体衬板及磨损曲线示意。分析现场失效衬板剩余厚度以及磨损曲线可知，磨损严重部位主要位于出料端筒体衬板及筒体提升条提料侧，而进料端筒体衬板以及非提料侧磨损量较少，剩余厚度相对较多。

在基本保证磨矿效率的前提下，为达到进一步减轻筒体衬板质量、降低采购和运行成本、提高衬板更换效率及提升衬板综合性价比的目的，必须对筒体衬板进行再次结构优化。

图9 结构改进后失效衬板

图10 结构改进后失效衬板磨损曲线

本次结构优化主要对不同部位进行差异化设计。如图 11 所示，在衬板高-高排列形式下，根据实践经验将进料端筒体衬板提升条高度适当降低，由 380 mm降低至 350 mm，出料端筒体衬板高度保持 380 mm 不变；在磨机单向旋转条件下，筒体衬板维持 60°面角不变，通过适当减小非提升侧角度，在减轻衬板质量的同时，提高衬板的有效金属利用率。

图11 筒体衬板结构优化

4.2 使用效果

图12 所示为结构优化后磨球抛落轨迹。结果显示，磨球的抛落点位于物料趾部，并没有直接空砸衬板，衬板结构优化可行。

图12 衬板结构优化后磨球抛落轨迹

图13 显示了衬板结构变化与矿石处理量之间的关系。优化后首套筒体衬板于 2018 年 4 月 5 日开始装机运行，连续运行共计 3 套，相较于第一次结构改进，筒体衬板质量减少 13 t，降低 6% 左右，但磨矿效率仍维持在较高水平，平均处理矿量达到 310 万 t。由此可以断定，第二次结构优化是成功的，整体性价比较高，获得了客户的认可。

图13 衬板结构变化与磨矿量之间变化关系

5 结语

根据大型球磨机实际运行工况，对球磨机筒体衬板结构进行了持续不断的改进，通过分析筒体衬板排数、提升条高度以及提升条面角等对磨矿效率有影响的因素，结合实际设计经验，获得了较佳的结构优化方案。衬板结构改进和优化后，磨矿效率大幅提升，综合运行成本降低，使用效果良好。面对球磨机大型化发展趋势，球磨机筒体衬板还存在较大的优化空间，需要借助计算机模拟技术，紧密结合选矿工艺，在磨机实际运行基础上有待于继续进行研究。

来源：矿山机械杂志

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